看“中国天眼”,听宇宙“心跳”

来源:中央纪委国家监委网站 时间:2018-04-16 16:31

    与德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍。与美国“阿雷西博”300米望远镜相比,综合性能提高约10倍。“中国天眼”凭借500米的口径和众多独门绝技,不仅在尺寸规模上创造了新的世界纪录,而且在灵敏度和综合性能上,也登上世界巅峰。今天,“新时代·新本领”栏目,带您到贵州——

看“中国天眼”,听宇宙“心跳”

    古有十年磨一剑,今有廿年造“天眼”。20多年的不懈奋斗,国之重器“中国天眼”,傲然屹立于贵州的崇山峻岭。

    这里是贵州省黔南州平塘县克度镇大窝凼。就在这绵延起伏的大山深处,屹立着一座举世瞩目的大国重器。它就是被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,简称FAST)。

“天眼”有多大?为什么选址在群山深处?

    “中国天眼”是世界上最大的单口径射电望远镜,是直接观测遥远星系行星、寻找类似太阳系或地球的宇宙环境,以及潜在智慧生命的重要科技设施。

俯瞰“中国天眼”

    从空中俯瞰,它呈现球形网状结构,反射面总面积25万平方米,相当于30个足球场大小,周长约1.6公里,绕着圈梁走一圈足足需要40分钟。FAST工程调试组组长姜鹏打了个形象的比喻:“如果把‘中国天眼’看成一口锅的话,它盛满水,全世界每个人可以分到4瓶矿泉水。所以它的体积是非常巨大的。”

2006年7月,“天眼”选址落户贵州省平塘县大窝凼

    这样一个大国重器,为什么选址在群山深处呢?

    姜鹏介绍,主要原因有三个。首先,这里地处比较偏远的山区,人迹活动稀少,受其他无线电信号的干扰很小,为我们提供了一个比较优良的台址环境;其次,它有天然的这样一个洼坑,可以为我们节约很多建设成本;再次,这里属于喀斯特地貌,地下暗河比较多,落下的雨水顺着暗河流走了,所以排水压力可以得到有效缓解。

“天眼”由哪几部分组成,里面有什么高科技?

    作为我国具有自主知识产权的大科学装置,“中国天眼”由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成,其成功建设和落成启用是项伟大工程。

2013年12月“天眼”圈梁合龙

    主动反射面,可以比喻成“天眼”的“视网膜”。它是一个500米口径的钢梁,架在了50根巨大的钢柱上,6670根钢索编织的索网环绕其间,上面则铺着4450块反射面单元,下面是2225根下拉索,固定在地面的触动器上。就像水手扯动缆绳控制风帆一样,通过这些触动器拽这些下拉索,就可以控制索网的形状,一会儿是球面,一会儿是抛面,进行天文信号的收集和观测。

2014年7月“天眼”索网安装

2015年8月“天眼”反射面安装

2016年9月,“天眼”主体工程正式完工

    国家天文台FAST工程总工艺师王启明说,FAST工程的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的反射单元,在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,从而极大地提升了观测效率。

“天眼”馈源舱,被称为“天眼”的“瞳孔”

    馈源舱,是“天眼”的核心部件,被称为“天眼”的“瞳孔”。馈源,也叫做超宽带接收机,是FAST接收和回传信号的最核心部件,整个射电望远镜的反射面所接收到的全部宇宙信号,都靠它来收集。

工作人员在“天眼”馈源舱内工作

    “它起到聚焦的作用,把反射面反射的外太空射电信号聚焦到馈源舱里面,让我们能看得更清楚。”专家介绍, FAST采用了光机电一体化的馈源平台,加之馈源舱内的并联机器人二次调整,它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,可实现毫米级指向跟踪,确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。

工作人员在“天眼”总控室内工作

    FAST还配有一个“超级大脑”。在总控室里,高性能计算系统的计算能力可以达到每秒200万亿次以上,存储容量达到10PB以上。目前系统还在继续建设之中,以满足FAST对计算性能和存储容量爆炸式增长的需求。

工作人员在“天眼”总控室内工作

“天眼”厉害在哪?有什么独门绝技?能发现什么?

    “可接收到137亿光年以外的电磁信号”“天空覆盖范围为天顶角40度”“跟踪精度8角秒”“观测换源时间小于10分钟”……一组数字反映了“天眼”的高超技能。

“天眼”的四大绝技

    正因为一项项的技术攻关,让“中国天眼”具备了超高的灵敏度和大覆盖天区,使中国制造的望远镜在灵敏度这个技术指标上,站在了世界的制高点。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST的灵敏度提高约10倍;与排在“阿波罗”登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国“阿雷西博”300米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。

    “中国天眼”的成功建设和落成启用,使我国形成了具有国际先进水平的天文观测与研究平台。借助这只“天眼”,科学家将可以巡视宇宙中的中性氢、探索宇宙起源和演化、观测脉冲星、研究极端状态下的物质结构与物理规律、获得天体超精细结构、探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号。宇宙深处微弱的“心跳”,正被我们一个又一个捕捉到。这些发现,很可能会改变人类对宇宙的认知。

    “目前望远镜处于调试阶段,但已经探测到52颗优质的脉冲星候选体,其中有12颗已经通过国际认证。它非常能说明这台望远镜的灵敏度已经达到了世界领先水平。”姜鹏在采访中介绍说。

FAST发现脉冲星艺术效果图

    “天眼”探测脉冲星等,到底有什么用呢?专家介绍,脉冲星,由恒星演化和超新星爆发而产生,具有地面实验室无法实现的极端物理性质,是理想的天体物理实验室,对其进行研究,有希望得到许多重大物理学问题的答案,并有很多应用,譬如,脉冲星的自转周期极其稳定,就像是宇宙中的精确时钟,可以提供精确的时钟信号,为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。

南仁东被誉为“‘天眼’之父”,他有什么动人故事?

    “春雨催醒了期待的嫩绿,夏露折射万物的欢歌,秋风编织七色锦缎,冬日下生命乐章延续着它的优雅,大窝凼时刻让我们发现,给我们惊奇。”

    ——“‘天眼’之父”南仁东

    “中国天眼”的顺利建成,不得不提到一个人——FAST首席科学家、总工程师,被誉为“‘天眼’之父”的南仁东。

FAST首席科学家、总工程师南仁东

    从1994年开始预研,到2011年开工,再到2016年9月25日竣工、落成启用,20余年时间里,南仁东带领老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难。

    为寻找合适台址,南仁东花费十二年光阴,带着300多幅卫星遥感图,扎进中国西南部一座又一座大山,足迹遍布荆棘丛生的无人荒野。

2003年10月,南仁东教授与国际专家在平塘大窝凼洼地考察

2003年10月,南仁东带领外国专家和工作人员考察大窝凼,并和当地村民合影留念

    关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁……一个难题一个难题攻克,一步一个脚印摸索前进。南仁东以严谨的科学精神参与到 FAST 设计的每一个环节当中,不错过每一次会议。他还自称“战术型老工人”,直接参与一线建设,长期在施工现场与工人一起下工地、爬高塔、睡工棚。

2015年11月,南仁东(左二)在大窝凼施工现场指导反射面单元拼装工作

    “FAST就像是他亲手拉扯大的孩子一样,他看着它一步一步从设想到概念,从概念到方案,到蓝图,再到活生生的现实。”FAST工程馈源支撑系统副总工李辉回忆,2014年,馈源支撑塔刚开始安装,南仁东就立志要第一个爬上所有塔的塔顶。最终建成后,他的确一座一座亲自爬了上去,“他在用自己独特的方式拥抱望远镜!”

    “天眼”是一个庞大系统工程,每个领域,专家都会提各种意见,南仁东需要做出决策,对每一个细节进行把关。同事们都非常佩服他的韧劲、他的知识面,说他既懂技术又懂科学。但南仁东说:“其实我并不是天生什么都懂、特别聪明,只不过我花得时间更多。”

    经过日复一日的不懈努力,南仁东和他的同事们不断开启新的征程,实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越。

    从壮年走到暮年,南仁东倾其一生心血筑“天眼”,成就了中国在世界上独一无二的天文观测项目。然而,为世人所不知的是,南仁东早已罹患肺癌,并在手术中伤及声带。患病后他依然带病坚持工作,一次次往返于北京和贵州之间,亲眼见证自己耗费22年心血的大科学工程落成。2017年9月15日,南仁东因肺癌突然恶化,抢救无效逝世。

南仁东在2016年科技盛典颁奖现场(2017年1月摄)

    但是他的故事并没有结束。在他身后,FAST这个国之重器崛地而起。这项凝聚了千万人心血的雄伟工程正在此处凝望太空,默默坚守,等待着星外文明的第一声回响……

    他的精神更感染着无数后来之人。2017年11月17日,中共中央宣传部向全社会公开发布南仁东的先进事迹,追授他为“时代楷模”荣誉称号。

    “我觉得南老师最酷的就是他影响了一大批人,他好像还没有离开我们一样。”中国科学院国家天文台射电天文研究部副主任、FAST工程副经理张蜀新感慨,我觉得这就是他的精神对我们团队的一种影响。你可能不自觉地就会把他的一些要求变成对自己的要求,然后再一代一代的薪火相传。

    精神的力量,可以穿越时空。南仁东当年写下的小诗,至今读来仍让人心潮澎湃:

    “人类之所以脱颖而出,

    从低等的生命演化成现在这样,

    出现了文明,

    就是(因为)他有一种对未知探索的精神。

    美丽的宇宙太空,

    以它的神秘和绚丽,

    召唤我们踏过平庸,

    进入到无垠的广袤。”

    (中央纪委国家监委网站 兰琳宗丨供图:国家天文台 新华社)



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